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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Gasmenge in einem Behälter. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Veränderung einer Gasmenge in einem Behälter.
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Wenn Industriegase wie gasförmiger Wasserstoff oder gasförmiges Helium an einen Kunden geliefert werden, ist es erforderlich, die Menge des gelieferten Gases zu bestimmten. Das ist insbesondere wichtig, um dem Kunden die gelieferte Menge in Rechnung stellen zu können.
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Es sind Verfahren bekannt um die Menge eines Gases in einem Behälter zu bestimmen. Dabei wird die Gasmenge regelmäßig aus verschiedenen Parametern berechnet. Messungenauigkeiten bei den Parametern und theoretische Unzulänglichkeiten der Verfahren sorgen aber oft für eine unzureichende Genauigkeit dieser Verfahren. Auch sind die erhaltenen Werte oft nicht unmittelbar weiterverarbeitbar.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme zumindest teilweise zu überwinden. Es sollen insbesondere ein Verfahren zur Bestimmung einer Menge an gasförmigem Gas in einem Behälter und ein Verfahren zur Bestimmung einer Veränderung einer Gasmenge in einem Behälter vorgestellt werden, die besonders schnell, einfach und genau sind und die eine unmittelbare Weiterverarbeitung der Ergebnisse ermöglichen.
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Diese Aufgaben werden gelöst mit Verfahren gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahrens sind in den jeweils abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Gasmenge in einem Behälter vorgestellt, welches umfasst:
- a) Bestimmen eines Drucks innerhalb des Behälters mit einem digitalen Manometer,
- b) Bestimmen einer jeweiligen Temperatur an mindestens zwei Messpositionen einer Außenwand des Behälters,
- c) Bestimmen der Gasmenge in dem Behälter unter Verwendung des in Schritt a) bestimmten Drucks, der in Schritt b) bestimmten Temperaturen und eines vorbekannten geometrischen Volumens des Behälters.
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Die Schritte a) und b) können in beliebiger Reihenfolge nacheinander oder auch ganz oder teilweise zeitgleich durchgeführt werden. Schritt c) erfolgt nach den Schritten a) und b).
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Das beschriebene Verfahren ist zur Bestimmung der Gasmenge eines beliebigen Gases geeignet. Auch kann das Verfahren auf beliebige Behälter angewendet werden. Insbesondere kann das beschriebene Verfahren auf Tanks von Lieferfahrzeuge angewendet werden. In dem Fall kann das beschriebene Verfahren dazu genutzt werden, die Menge eines an einen Kunden gelieferten Gases zu bestimmen. Somit kann das beschriebene Verfahren dazu beitragen, dem Kunden auf einfache Weise die genau gelieferte Gasmenge in Rechnung zu stellen.
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Die Gasmenge in dem Behälter kann insbesondere über den Druck des Gases in dem Behälter bei vorbekanntem geometrischen Volumen des Behälters bestimmt werden. Insbesondere daher wird in Schritt a) des beschriebenen Verfahrens der Druck innerhalb des Behälters mit einem digitalen Manometer bestimmt. Ein digitales Manometer hat gegenüber einer analogen Ausführung den Vorteil, dass ein Messwert bei einem digitalen Manometer regelmäßig genauer abgelesen werden kann. Insbesondere kommt es bei digitalen Manometern nicht zu Parallaxeeffekten, die zu Ungenauigkeiten beim Ablesen führen können. Das geometrische Volumen des Behälters wird vorzugsweise vorbestimmt.
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Es ist bevorzugt, dass das digitale Manometer autark ausgebildet ist. Das bedeutet insbesondere, dass das digitale Manometer vorzugsweise eine Batterie zur Energieversorgung aufweist und/oder dass das digitale Manometer Daten über eine drahtlose Verbindung übermitteln kann. Weiterhin ist es bevorzugt, dass das digitale Manometer zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, innerhalb des Behälters angeordnet ist. Insbesondere kann das digitale Manometer an einen dafür vorgesehenen Anschluss des Behälters angeschraubt werden.
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Das digitale Manometer hat vorzugsweise einen Messbereich von 0 bis 1000 bar. Weiterhin ist es bevorzugt, dass das digitale Manometer als eigensichere Version ausgebildet ist, so dass es insbesondere auch mit explosiven Gasen in Kontakt gebracht werden kann. Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das digitale Manometer Messwerte über einen Zeitabschnitt aufzeichnen kann. Dabei kann beispielsweise eine Aufzeichnungsrate von 50 Messwerten pro Sekunde vorteilhaft sein. Somit können beispielsweise auch Leckagen des Behälters erkannt werden.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass das digitale Manometer auch ein Element zur Temperaturerfassung aufweist. Eine mit diesem Element gemessene Temperatur kann zusätzlich zu den in Schritt b) bestimmten Temperaturen in Schritt c) berücksichtigt werden.
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Außerdem kann die Menge des Gases in dem Behälter, dessen Volumen vorher ermittelt wurde, von der Temperatur des Gases abhängen. Das liegt insbesondere daran, dass Gase bei verschiedenen Temperaturen verschiedene Volumina einnehmen. Insbesondere daher wird in Schritt b) des beschriebenen Verfahrens eine jeweilige Temperatur an mindestens zwei Messpositionen, vorzugsweise an mindestens drei Messpositionen einer Außenwand des Behälters bestimmt. Die Temperatur an der Außenwand des Behälters ist besonders leicht messbar. Von der Temperatur an der Außenwand des Behälters kann auf die Temperatur des Gases im Inneren des Behälters geschlossen werden.
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Die Messpositionen sind vorzugsweise über die gesamte Außenwand des Behälters verteilt. Abstände zwischen den Messpositionen sind vorzugsweise so groß wie möglich. Somit können Temperaturunterschiede innerhalb des Behälters besonders effizient berücksichtigt werden.
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Lieferfahrzeuge für Industriegase haben regelmäßig mehrere einzelne voneinander getrennte oder miteinander verbundene Tanks. Sofern zwischen diesen Tanks zumindest Verbindungsleitungen vorgesehen sind, über die die Tanks miteinander verbindbar sind, sollen die Tanks als Teile eines Behälters betrachtet werden, so dass der Behälter von den Tanks in deren Gesamtheit gebildet wird. In dem Fall ist es bevorzugt, dass an jedem dieser Tanks mindestens eine der Messpositionen vorgesehen ist. Damit können Unterschiede zwischen den einzelnen Tanks ausgeglichen werden. Sind die Tanks vollständig voneinander getrennt, kann das beschriebene Verfahren für jeden Tank einzeln durchgeführt werden.
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In Schritt c) des beschriebenen Verfahrens wird die Gasmenge in dem Behälter unter Verwendung des in Schritt a) bestimmten Drucks und der in Schritt b) bestimmten Temperaturen bestimmt. Vorzugsweise wird die Menge des Gases als Druck bei 15° C angegeben.
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Es hat sich gezeigt, dass die beschriebene Kombination einer Druckmessung mit einem digitalen Manometer und einer Temperaturmessung an der Außenwand des Behälters besonders schnell und einfach ist und besonders genaue Ergebnisse liefert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Druck in Schritt a) mit einem relativen Messfehler von weniger als 0,1 % gemessen.
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Wird der Druck mit der angegebenen Genauigkeit gemessen, setzt sich dies auch auf die Genauigkeit der Bestimmung der Gasmenge fort. Eine derartige Genauigkeit der Druckmessung kann insbesondere mit digitalen Manometern erreicht werden. Besonders bevorzugt ist es, ein Präzisions-Digital-Manometer zu verwenden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Temperaturen in Schritt b) durch Messung mit einem Infrarot-Thermometer und/oder einem Widerstandsthermometer, insbesondere einem Platin-Widerstandsthermometer, bestimmt.
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Mit einem Infrarot-Thermometer kann eine Temperatur einer Außenwand berührungslos gemessen werden. Außerdem kann mit einem derartigen Thermometer eine besonders hoher Genauigkeit erreicht werden. Weiterhin kann die Verwendung eines Infrarot-Thermometers besonders zeitsparend sein. Die Messpositionen sind vorzugsweise durch Markierungen an der Außenwand des Behälters sichtbar gemacht. So kann ein Benutzer durch Anpeilen der Markierungen die erforderlichen Temperaturen schnell und einfach messen. Durch die Markierung kann auch eine besonders gute Reproduzierbarkeit erreicht werden. Das liegt insbesondere daran, dass durch die Markierungen immer an den gleichen Messpositionen gemessen werden kann.
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Das Infrarot-Thermometer ist vorzugsweise als ein Handgerät für den mobilen Einsatz ausgebildet. Auch ist es bevorzugt, dass das Infrarot-Thermometer autark ausgebildet ist insbesondere eine Batterie zur Energieversorgung aufweist. Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Infrarotthermometer über eine drahtlose Verbindung Daten übermitteln kann.
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Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine der Temperaturen über mindestens ein Widerstandsthermometer, insbesondere ein Platin-Widerstandsthermometer basierend beispielsweise auf einem Pt100-Element, bestimmt werden. Das mindestens eine Widerstandsthermometer ist dabei bevorzugt fest installiert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt c) aus den an der Außenwand des Behälters gemessenen Temperaturen eine mittlere Gastemperatur bestimmt.
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In Schritt b) wird die Temperatur an der Außenwand des Behälters gemessen. Für die Bestimmung der Gasmenge ist allerdings die Gastemperatur einschlägig. Somit ist es vorteilhaft, von der an der Außenwand gemessenen Temperatur auf die Gastemperatur zu schließen. Das kann insbesondere dadurch erfolgen, dass für den konkreten Behälter einmalig vor Durchführung des beschriebenen Verfahrens eine Kalibrierungskurve aufgezeichnet wird. Mit einer derartigen Kalibrierungskurve kann der Tatsache Rechnung getragen werden, dass das Verhältnis zwischen der Temperatur der Außenwand des Behälters und der Temperatur des Gases im Inneren des Behälters von einer Vielzahl von Parametern abhängen kann, wie insbesondere dem Material des Behälters und dessen Isoliereigenschaften. Die Kalibrierungskurven kann insbesondere experimentell bestimmt werden. Dazu kann beispielsweise zum Zwecke der Erstellung der Kalibrierungskurve ein Thermometer im Inneren des Behälters angeordnet werden. Anschließend kann für verschiedene Temperaturen im Inneren des Behälters die Temperatur der Außenwand bestimmt werden. Nach Erstellen der Kalibrierungskurve kann das Thermometer aus dem Inneren des Behälters wieder entfernt werden.
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Dadurch, dass die Temperatur an der Außenwand an verschiedenen Messpositionen gemessen wird, können Temperaturunterschiede innerhalb des Behälters ausgeglichen werden. Zu derartigen Temperaturunterschieden kann es insbesondere kommen, wenn Gas dem Behälter entnommen wird und die Messung durchgeführt wird, bevor sich wieder ein Temperaturgleichgewicht innerhalb des Behälters eingestellt hat. Das kann insbesondere der Fall sein, wenn Gas und einen Kunden geliefert wird und die Messung unmittelbar nach dem Entnehmen des Gases erfolgt.
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Vorzugsweise wird aus den gemessenen Temperaturen ein Mittelwert gebildet. Dieser Mittelwert kann in Schritt c) zur Bestimmung der Gasmenge verwendet werden. Vorzugsweise wird zuerst für jede Messposition eine jeweilige Gastemperatur bestimmt. Anschließend werden die bestimmten Gastemperaturen gemittelt. Alternativ ist es möglich, die Temperaturen der Außenwand zunächst zu Mitteln und anschließend aus dem so erhaltenen Mittelwert auf eine Gastemperatur zuschließen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist das Verfahren für einen Druck von mehr als 10 bar, bevorzugt mehr als 100 bar, insbesondere mehr als 250 bar bestimmt.
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Die Bestimmung der Gasmenge in einem Behälter mit einem Verfahren gemäß Stand der Technik ist insbesondere bei sehr hohen Drücken regelmäßig problematisch. Mit dem beschriebenen Verfahren kann gerade bei Drücken von 250 bar und mehr eine besonders gute Genauigkeit erreicht werden. Vorzugsweise ist das beschriebene Verfahren für einen Druck von mehr als 300 bar bestimmt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens enthält das Gas mindestens 90 % Wasserstoff oder Helium.
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Bevorzugt ist, dass das Gas im Rahmen von unvermeidbaren Verunreinigungen reiner Wasserstoff oder Helium ist. Insbesondere bei Wasserstoff und Helium können Drücke von 250 bar und mehr auftreten. Daher ist das beschriebene Verfahren besonders für Wasserstoff und Helium als Gas geeignet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden der in Schritt a) bestimmte Druck und die in Schritt b) bestimmten Temperaturen über eine drahtlose Verbindung auf ein mobiles Datenverarbeitungsgerät übermittelt, wobei Schritt c) mit dem mobilen Datenverarbeitungsgerät durchgeführt wird.
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Bei dem mobilen Datenverarbeitungsgerät handelt es sich vorzugsweise um ein Smartphone oder Tablet. Die gemäß Schritt a) und b) bestimmten Werte können insbesondere drahtlos auf das mobile Datenverarbeitungsgerät übertragen und dort verarbeitet werden.
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Beispielsweise kann ein Fahrer eines Lieferfahrzeugs unter Verwendung seines Smartphones mit dem beschriebenen Verfahren jederzeit die Gasmenge in einem Tank des Lieferfahrzeuges bestimmen. Das ist insbesondere bei der Auslieferung an einen Kunden vorteilhaft.
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Durch die Übertragung der Daten auf das mobile Datenverarbeitungsgerät kann die mit dem beschriebenen Verfahren bestimmte Gasmenge auf besonders einfache Weise weiterverarbeitet werden. Beispielsweise kann das mobile Datenverarbeitungsgeräte über das Internet mit einer Zentrale verbunden sein, sodass der Zentrale jederzeit die an die Kunden ausgelieferte Gasmenge mitgeteilt werden kann. Das ist insbesondere vorteilhaft, wenn auf einer Lieferfahrt mehrere Kunden beliefert werden.
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Als ein weiterer Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Veränderung einer Gasmenge in einem Behälter vorgestellt, welches umfasst:
- A) Bestimmen einer Ausgangsmenge des Gases in dem Behälter mit dem beschriebenen Verfahren.
- B) Bestimmen einer Endmenge des Gases in dem Behälter mit dem beschriebenen Verfahren.
- C) Bestimmen der Veränderung der Gasmenge als Differenz zwischen der in Schritt A) bestimmten Ausgangsmenge und der in Schritt B) bestimmten Endmenge.
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Die weiter oben beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Verfahrens zur Bestimmung der Gasmenge in dem Behälter sind auf das beschriebene Verfahren zur Bestimmung der Veränderung der Gasmenge in dem Behälter anwendbar und übertragbar, und umgekehrt.
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Es ist bevorzugt, dass die Schritte A) bis C) mit dem mobilen Datenverarbeitungsgerät durchgeführt werden.
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Beispielsweise kann der Fahrer eines Lieferfahrzeuges gemäß Schritt A) die Gasmenge in dem Tank seines Lieferfahrzeuges bestimmen, anschließend die für einen Kunden bestimmte Gasmenge aus dem Tank entnehmen und schließlich die Gasmenge in dem Tank gemäß Schritt B) erneut bestimmen. Die gemäß Schritt C) ermittelte Differenz ist die dem Kunden gelieferte Gasmenge. Diese Gasmenge kann dem Kunden in Rechnung gestellt werden. Der Fahrer kann also mit seinem Smartphone die genaue dem Kunden gelieferte Gasmenge auf sehr einfache Weise bestimmen. Auch kann dies sehr schnell erfolgen, weil es nicht notwendig ist, dass der Fahrer nach Entnahme des Gases beispielsweise einen Temperaturausgleich innerhalb des Tanks abwartet. Hier kann insbesondere auch auf eine vorher aufgenommene Kalibrierungskurve zurückgegriffen werden.
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Als ein weiterer Aspekt wird ein Computerprogramm vorgestellt, welches dazu eingerichtet ist, Schritt c) des beschriebenen Verfahrens durchzuführen.
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Als ein weiterer Aspekt wird ein maschinenlesbares Speichermedium vorgestellt, auf dem das beschriebene Computerprogramm gespeichert ist.
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Die weiter oben beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Verfahrens zur Bestimmung der Gasmenge in dem Behälter sind auf das beschriebene Computerprogramm und das maschinenlesbare Speichermedium anwendbar und übertragbar. Vorzugsweise ist es Computerprogramm weiterhin dazu geeignet, Schritt C) des Verfahrens zur Bestimmung der Veränderung der Gasmenge in dem Behälter durchzuführen.
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Die Erfindung und das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel, auf das die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen schematisch:
- 1: eine Darstellung eines Lieferfahrzeugs mit einem Behälter,
- 2: ein Verfahren zur Bestimmung einer Gasmenge in dem Behälter des Lieferfahrzeugs aus 1, und
- 3: ein Verfahren zur Bestimmung einer Veränderung der Gasmenge in dem Behälter des Lieferfahrzeugs aus 1.
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1 zeigt ein Lieferfahrzeug 1 mit einem Behälter 2, in dem ein Gas wie beispielsweise Wasserstoff gelagert sein kann. Mit einem digitalen Manometer 3, einem Infrarot-Thermometer 4 und einem mobilen Datenverarbeitungsgerät 8 wie beispielsweise einem Smartphone oder Tablet kann die Gasmenge in dem Behälter 2 bestimmt werden. Dabei ist das geometrische Volumen des Behälters 2 vorbekannt oder wird entsprechend gemessen. Mit dem Infrarot-Thermometer 4 werden dazu Temperaturen an drei Messpositionen 5, 6 und 7 gemessen. Beispielhaft ist ein Widerstandsthermometer 9 gezeigt, welches fest mit dem Behälter 2 verbunden ist.
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2 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung einer Gasmenge in einem Behälter. Das Verfahren kann insbesondere auf den Behälter 2 aus 1 angewendet werden. Es umfasst die Schritte:
- a) Bestimmen eines Drucks innerhalb des Behälters 2 mit einem digitalen Manometer 3,
- b) Bestimmen einer jeweiligen Temperatur an mindestens zwei Messpositionen 5, 6, 7 einer Außenwand des Behälters 2,
- c) Bestimmen der Gasmenge in dem Behälter 2 unter Verwendung des in Schritt a) bestimmten Drucks und der in Schritt b) bestimmten Temperaturen.
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3 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung einer Veränderung einer Gasmenge in einem Behälter. Auch dieses Verfahren kann insbesondere auf den Behälter aus 1 angewendet werden. Es umfasst die Schritte:
- A) Bestimmen einer Ausgangsmenge des Gases in dem Behälter 2 mit dem Verfahren gemäß 2.
- B) Bestimmen einer Endmenge des Gases in dem Behälter 2 mit dem Verfahren gemäß 2, und
- C) Bestimmen der Veränderung der Gasmenge als Differenz zwischen der in Schritt a) bestimmten Ausgangsmenge und der in Schritt b) bestimmten Endmenge.
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Es wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem eine Gasmenge in einem Behälter 2 besonders schnell, einfach und genau bestimmt werden kann und das eine unmittelbare Weiterverarbeitung der Ergebnisse ermöglicht. Dabei wird ein besonders genaues digitales Manometer 3 verwendet. Außerdem wird die Genauigkeit des Verfahrens verbessert, indem die Temperatur an verschiedenen Messpositionen 5, 6, 7 außen am Behälter 2 gemessen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lieferfahrzeug
- 2
- Behälter
- 3
- digitales Manometer
- 4
- Infrarot-Thermometer
- 5
- erste Messposition
- 6
- zweite Messposition
- 7
- dritte Messposition
- 8
- Datenverarbeitungsgerät
- 9
- Widerstandsthermometer
